ES2832373T3 - Digestión de lodos residuales activados con algas - Google Patents

Abstract

Un método para efectuar una digestión eficiente de lodos activados residuales (LAR) (10) en una planta de tratamiento de aguas residuales, que comprende: introducir algas fagotróficas en LAR (10), para producir una mezcla de algas-LAR, someter la mezcla de LAR-algas en condiciones digestivas en un proceso de digestión, mantener la mezcla de LAR-algas en el proceso de digestión durante un período de tiempo suficiente de modo que los sólidos volátiles (SV), las tasas específicas de absorción de oxígeno (TEAO) y los objetivos de patógenos preseleccionados se han logrado en la mezcla digerida y los microbios y las algas han muerto sustancialmente, y eliminar la biomasa digerida resultante del proceso de digestión.

Description

DESCRIPCIÓN

Digestión de lodos residuales activados con algas

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a la digestión de material orgánico sólido, por ejemplo sólidos de aguas residuales, en un proceso de una planta de tratamiento de aguas residuales. En particular, la invención se refiere al uso de algas fagotróficas en relación con la digestión aeróbica o anaeróbica de sólidos, especialmente lodos activados residuales (LAR), para digerir sólidos de manera más eficiente, para cumplir en un período de tiempo más corto, las normas para sólidos volátiles y los requisitos específicos de tasa de absorción de oxígeno, así como los requisitos de reducción de patógenos.

Se hace referencia a la patente de Estados Unidos n.° 3.780.471; Salerno et al., "Biogas Production from Algae Biomass Harvested at Wastewater Treatment Ponds", ASABE Bioenergy Engineering Conference Presentation, artículo n.° Bio098023, 11-14 de octubre de 2009; Golueke et al., "Anaerobic Digestion of Algae", Sanitary Eng. Res. Lab., Dept. of Engineering, Univ. de CA, Berkeley, CA, martes, 4 de septiembre de 1956; y la publicación PCT WO 2009/088839.

La última publicación describe un método para producir un producto de algas utilizando algas, incluidas algas fagotróficas. El proceso implica la introducción de las algas en un medio de crecimiento líquido que incluye microorganismos, para que las algas consuman los microorganismos. El medio de crecimiento líquido puede comprender productos de residuos orgánicos. El producto final es un producto de algas vendible y útil.

En general, la solicitud publicada anteriormente (WO 2009/088839), así como la solicitud PCT actualmente pendiente publicada como WO 2014/194174, con la que está relacionada la presente solicitud, apuntó hacia el crecimiento de algas fagotróficas al exponerlas a diversos materiales de residuos orgánicos, incluido el lodo activado residual (LAR, subproducto típico del tratamiento biológico de aguas residuales). También se ha analizado el pretratamiento antes del crecimiento de algas, siendo un pretratamiento la degradación parcial de las estructuras celulares de microbios biológicos mediante ultrasonidos. Cualquiera de las opciones de pretratamiento analizadas en estas solicitudes publicadas también se puede utilizar con el proceso actual que se describe a continuación. Asimismo, cualquiera de las especies de algas fagotróficas enumeradas en las solicitudes publicadas son candidatas para los procesos descritos en el presente documento. En las divulgaciones de las publicaciones, el objeto y el resultado final fueron la producción de biomasa de algas, que luego se pudieron aplicar a otros usos. Ninguna divulgación se refirió a una digestión más eficiente de la biomasa rica en algas como un fin en sí mismo, que incluso puede incluir la muerte total de algas en algunas aplicaciones.

Cong Li et al. (véase la publicación "Conversion of wastewater organics into biodiesel feedstock through the predator-prey interactions between phagotrophic microalgae and bacteria", RSC Advances, vol. 4, n.° 83, 10 de septiembre de 2014) describe un proceso en el que la materia orgánica de las aguas residuales se convierte primero en biomasa de bacterias y, a continuación, las bacterias son consumidas por microalgas fagotróficas para el crecimiento y la producción de lípidos.

Sumario de la invención

Se desvela un método para efectuar una digestión eficiente de lodos activados residuales (LAR) en una planta de tratamiento de aguas residuales como se expone en la reivindicación independiente 1. Las realizaciones preferentes se describen en las reivindicaciones dependientes 2-10.

La invención comprende una mejora en el proceso de digestión aeróbica o anaeróbica de LAR, que puede combinarse o incluir otros RESIDUOS orgánicos, tal como los de restaurantes u otras fuentes (tal como lodos primarios), como en un proceso de codigestión. El término LAR, como se usa en el presente documento, pretende incluir dicha biomasa combinada, así como LAR en su significado habitual. La eficiencia de estos procesos se puede incrementar considerablemente, con tiempos reducidos de retención del digestor, mediante la introducción de algas fagotróficas en el proceso de digestión, las algas que consumen los microorganismos digestivos y, si el proceso llega a su fin, en última instancia, consumiéndose o muriendo.

En este proceso, las algas fagotróficas se someten a un entorno aeróbico o anaeróbico en el que la falta de alimento externo obliga a las algas a depender de la respiración endógena, lo que resulta en su degradación (proceso de digestión).

Los objetivos finales de la invención pueden ser:

1. En caso de digestión aeróbica: cumplir los requisitos reglamentarios, es decir, bajos sólidos volátiles (SV) y/o bajas tasas específicas de absorción de oxígeno (TEAO) y reducción de patógenos después de la digestión para una eliminación segura, en un proceso más eficiente que el practicado anteriormente.

2. En caso de digestión anaeróbica: generar biogás/energía a través de la reducción de SV, también en un proceso más eficiente que la digestión anaeróbica convencional.

En la digestión aeróbica convencional, la reducción de SV y la reducción de TEAO asociada son principalmente el resultado del metabolismo endógeno en condiciones de hambre de fuentes de alimentos externas. Por estas actividades metabólicas, los microorganismos consumen su biomasa intracelular para obtener la energía mínima necesaria para mantener su supervivencia. Se cree que las tasas cinéticas de estas actividades de supervivencia por autodestrucción son mucho más lentas que las tasas cuando los microorganismos crecen activamente en presencia de fuentes externas de alimentos. Por otro lado, en el proceso de digestión mezclando LAR (que puede incluir otros residuos orgánicos como se define en el presente documento) con las algas fagotróficas, las algas fagotróficas se aprovechan activamente de los pequeños microorganismos en LAR como fuente de alimento externa. La reducción de SV basada en algas fagotróficas parece ser más activa, es decir, a tasas más altas, que la reducción de SV por el propio mecanismo de supervivencia por autodestrucción de los microbios, en la fase inicial de la digestión cuando abundan los microorganismos pequeños como alimento para las algas fagotróficas.

Después, después de que la concentración de estos pequeños microorganismos se haya reducido rápidamente, las mismas algas fagotróficas están muertas de hambre. A diferencia de los microorganismos heterotróficos típicos en LAR, las algas fagotróficas sobreviven en sus entornos naturales mediante la fotosíntesis (utilizando energía de la luz para sobrevivir) cuando no se dispone de fuentes de alimentos orgánicos/microbianos. Asimismo, ser células eucariotas sin paredes celulares que les ayuden a mantener la integridad celular, las algas fagotróficas requieren mucha más energía para mantener su supervivencia. En los oscuros procesos de digestión, morirán rápidamente. La secuencia combinada de destrucción de los pequeños microorganismos en LAR seguida de la rápida muerte de las algas fagotróficas privadas de fuentes de alimento externas y energía luminosa para su supervivencia, conduce a una reducción más rápida de los SV y al logro más temprano de una TEAO baja para cumplir con los criterios regulatorios. Los tiempos de retención más largos conducirán a una mayor reducción de SV y deberían conducir a una TEAO más baja. Cabe destacar que, las algas fagotróficas también son útiles para consumir patógenos/coliformes.

Descripción de los dibujos

Las figuras 1 y 2 son diagramas de flujo simples que ilustran el proceso de la invención para la digestión aeróbica y anaeróbica, respectivamente.

Descripción de realizaciones preferidas

La figura 1 muestra un proceso de la invención en el que se introducen algas para mejorar la digestión aeróbica. Tal como se indica, el LAR 10 entrante puede, opcionalmente, someterse a un pretratamiento 12, que podría ser un ajuste de pH, un breve período de digestión anaeróbica, ultrasonidos u otras etapas de pretratamiento mencionadas en el presente documento y en las solicitudes publicadas incorporadas. El pretratamiento ayuda a facilitar un consumo más completo de microbios por parte de las algas. El dibujo muestra el proceso esencialmente como un proceso por lotes, aunque puede ser continuo o continuo pero por etapas.

El LAR 10 entra en una cuenca 14 de conversión de algas, en condiciones de aireación. La cuenca o zona 14 contiene una población activa de algas fagotróficas.

Se retira una porción de la mezcla de LAR-algas de la cuenca 14, dejando una porción restante en la cuenca para que se introduzca más LAR en la cuenca.

Después de sacarla de la cuenca 14, la mezcla de LAR-algas pasa, preferentemente, a algún tipo de proceso de espesamiento, mostrado como FAD 16 en el dibujo (flotación por aire disuelto). Pueden usarse otros procesos espesantes, tal como membranas u otros métodos de separación de fases. Las algas espesadas y los sólidos 20 restantes se someten después a digestión aeróbica como se indica en el dibujo en 22. Se muestran varios flujos porque en el caso de FAD, surgirán dos o tres flujos. Desde la parte superior se concentrarán las algas en este caso; una parte media será principalmente agua y la parte inferior tendrá sólidos sedimentables. La parte media/agua puede (opcionalmente) reciclarse de nuevo al tanque 14 de conversión de algas (como indica la flecha 28) y el resto puede enviarse de regreso al cabezal de la planta. Este reciclado puede capturar cualquier carbono orgánico adicional del flujo de sobrenadante/filtrado.

La digestión 22 aeróbica continúa hasta que se cumplen los objetivos. El dibujo muestra la deshidratación de la biomasa digerida en 24 y el agua eliminada se puede unir con el filtrado de la etapa 16 para el tratamiento 26 del flujo secundario.

La figura 2 muestra el proceso a base de algas utilizado con la digestión anaeróbica. El LAR 10 entra en el sistema y puede complementarse con residuos orgánicos externos y/o lodos primarios como se indica en 11. Esto es opcional y a veces se usa para proporcionar alimento adicional para microbios en sistemas de digestión anaeróbica. De nuevo, opcionalmente, se puede realizar una etapa 12 de pretratamiento en el LAR.

El LAR se mezcla con algas en la cuenca 14 como se ha explicado anteriormente en la Figura 1 y la etapa 16 también es similar. Las algas espesadas y los sólidos 18, 20 pasan a continuación a la digestión 30 anaeróbica como se indica en el dibujo. El biogás se desprende y recolecta como se indica en 32, de la digestión anaeróbica. La deshidratación se muestra en 24 y los líquidos se pueden tratar como se indica en 26.

Los siguientes ejemplos muestran los resultados de las pruebas del nuevo proceso para la digestión aeróbica y anaeróbica de LAR, en comparación con la digestión de LAR convencional que utiliza solo microorganismos bacterianos inherentes.

EJEMPLO 1 - DIGESTIÓN AERÓBICA CON ALGAS

Como se muestra en la tabla, El contenido inicial de SV fue de 15.000 a 20.000 mg/l, y las temperaturas estuvieron en el intervalo convencional, tanto para el proceso convencional (100 % de LAR) como para el proceso de algas. El proceso se llevó al punto de cumplir con las normas para la reducción de sólidos volátiles y para tasas específicas de absorción de oxígeno (TEAO), que son las cifras que se muestran en la tabla (el proceso podría llevarse más lejos si se desea). El proceso de las algas se inició con la introducción de algas fagotróficas en el LAR (que contenía microorganismos bacterianos), a una tasa de aproximadamente 99,5 % de LAR y 0,5 % de algas. Los resultados muestran que la reducción de SV objetivo requirió trece días con la digestión aeróbica convencional de LAR (nuevamente, como se define ampliamente en el presente documento), considerando que solo se requirieron cinco días de retención (después de la introducción de las algas) en el proceso que implica las algas fagotróficas, logrando al menos un 35 % de reducción de SV (35 % a 40 %). Asimismo, el tratamiento convencional requirió siete días para alcanzar la TEAO objetivo, mientras que el proceso de la invención requirió sólo cuatro días para alcanzar ese objetivo. A los seis días de esta prueba, se excedieron los requisitos de patógenos de clase B (menos de 2 millones), con un contenido de patógenos de 1,21 millones. Cabe destacar que los tiempos de retención adicionales con el proceso de la invención producirán reducciones adicionales en SV y TEAO, así como una mayor reducción de patógenos.

Los ejemplos del presente documento describen operaciones por lotes, tanto para ejemplos aeróbicos como anaeróbicos. Particularmente para los sistemas de digestión aeróbica, sin embargo, generalmente se preferirá una forma de funcionamiento continuo. En una operación continua por etapas, las algas solo necesitan sembrarse inicialmente y el proceso incluirá (posiblemente después del pretratamiento de LAR) una primera etapa donde el tiempo de retención es suficiente para permitir que las algas se establezcan en una población estable. A intervalos apropiados o de forma continua, una parte de la mezcla LAR-algas se mueve fuera de la primera etapa y pasa a una segunda etapa, o a través de varias etapas o zonas adicionales. Al mismo tiempo, el LAR nuevo pasa a La primera etapa y, de nuevo, el tiempo de retención es suficiente para que las algas establezcan una población estable a través de esta primera etapa. Esto se repite como una operación continua o escalonada continua, con una parte de biomasa digestiva extraída de la etapa final en cada intervalo, o con eliminación continua. Este sistema mantendrá una biomasa de algas activa en la primera etapa (es decir, la primera etapa después de cualquier pretratamiento), sin necesidad de cultivar algas para introducirlas a intervalos relativamente largos en un proceso por lotes. Se debería entender, sin embargo, que, de acuerdo con la invención, tanto la digestión aeróbica como la anaeróbica se pueden realizar en cualquiera de un proceso por lotes, semidiscontinuo (continuo por etapas) o continuo.

Se realizó una segunda prueba piloto, esencialmente una repetición del mismo ensayo de LAR-algas informado anteriormente en el Ejemplo 1. Esto se repite como el Ejemplo 2 a continuación, en un formato algo diferente. Los resultados muestran que los requisitos de la Clase B se cumplieron en cinco días. EL día 5 se alcanzó (excedió) la reducción de SV y la TEAO, y el contenido de patógenos se redujo a 960.000 el día 5, superando con creces el requisito.

EJEMPLO 2 - DIGESTIÓN AERÓBICA CON ALGAS

En cuanto a la digestión anaeróbica, esto se describió en la solicitud PCT en trámite con la presente como potencialmente útil para pretratar el LAR antes de mezclarlo con las algas fagotróficas. No se enseñó a someter la mezcla la mezcla de LAR-algas a condiciones anaeróbicas (digestión) después de "permitir que las algas crezcan engullendo o absorbiendo el material orgánico sólido". Lo que sucedió después de esa etapa fue simplemente recolectar la biomasa de algas resultante, como producto vendible.

En cambio, la invención lleva la digestión anaeróbica a un punto final en el que todas las algas se autoconsumieron y murieron. La tabla del Ejemplo 2 a continuación muestra los resultados de las pruebas de digestión anaeróbica, con digestión microbiana bacteriana convencional de LAR (como se define ampliamente), en comparación con dos pruebas diferentes en las que se añadieron algas fagotróficas.

EJEMPLO 3 - DIGESTIÓN ANAERÓBICA CON ALGAS

El SV inicial y la temperatura del proceso son típicos de la digestión anaeróbica. Como se muestra en la tabla, el 100 % de la digestión anaeróbica convencional de LAR hasta el punto de lograr una reducción del SV del 30 %, duró quince días.

Las pruebas de algas se realizaron añadiendo una cierta proporción de algas fagotróficas a una parte de LAR con microbios convencionales. En la primera muestra se utilizó un 10% de biomasa de algas, mientras que en la segunda muestra la biomasa de algas constituyó el 90 % del total. Obsérvese que no es probable que esta sea la forma en que se introducirían las algas en la práctica, a gran escala, pero estas composiciones se usaron para obtener resultados de prueba para llegar al contenido óptimo de algas para el inicio del proceso. El documento WO 2014/194174, analiza las características del crecimiento de las algas bajo diferentes parámetros. Los resultados mostrados en la tabla anterior para el Ejemplo 3 indican que se logró una reducción del 30 % de SV en la digestión anaeróbica dentro de los cinco días posteriores a que la mezcla estuviera al 10 % de algas, que en este caso fue en la introducción de algas. Se logró una reducción del 35 % de SV dentro de los quince días posteriores a que la masa estuviera al 10 % de algas.

La tabla muestra además que, con la mezcla de biomasa inicial al 90 % de algas, se necesitaron cinco días para alcanzar una reducción del SV del 35 %; y se necesitaron quince días para lograr una reducción del 50 %.

Estas cifras se comparan muy favorablemente con la digestión anaeróbica convencional. Incluso en el ejemplo con un 10 % de algas, se requirieron cinco días para lograr la misma reducción de SV, lo que requirió quince días. La muestra del 90 % de algas logró una reducción de SV moderadamente mayor a los cinco días que la muestra del 10%, pero una reducción de SV significativamente mayor a los quince días en comparación con la muestra del 10%. En la digestión anaeróbica, el proceso se llevará a cabo, preferentemente, hasta el final. Esto aprovechará toda la reducción de SV disponible y la producción de biogás.

Una posible razón para la digestión anaeróbica más rápida obtenida en los ejemplos anteriores con las algas fagotróficas es que en la digestión anaeróbica las algas consumen bacterias y luego se digieren o mueren. Esto ciertamente ocurre con la digestión aeróbica y también es posible que se produzca una ingestión fagotrófica de microbios en el proceso anaeróbico de la invención. Otra explicación probable de los resultados exitosos notificados anteriormente es el inicio del proceso acidógeno por la biomasa de algas fácilmente digerible y contenidos de lípidos adecuadamente más altos.

En sistemas de digestión anaeróbica, a menudo se añade lodo primario al LAR cuando se mueve al digestor. También se pueden añadir otros residuos orgánicos, como residuos de comida de restaurantes, estas adiciones se hacen con el propósito de generar gas metano adicional durante la digestión. Cuanto más carbono haya en el digestor, más metano de produce. Los lodos primarios son aguas residuales afluentes que solo han sido sometidas a sedimentación primaria o clarificación, siendo el lodo menos biológicamente activo que el LAR que está listo para la digestión. Como se ha indicado anteriormente, el término LAR, tal como se utiliza en las reivindicaciones, pretende incluir dicha biomasa combinada, así como LAR en su significado habitual.

El proceso de la invención, la digestión anaeróbica basada en algas fagotróficas, difiere de los procesos de producción de algas convencionales anteriores como se representa en la mayor parte de la técnica anterior mencionada anteriormente.

Aunque el uso de algas fagotróficas se ha descrito en las publicaciones de PCT mencionadas anteriormente, los procesos descritos en la otra técnica anterior referenciada fueron claramente diseñados para algas fotosintéticas. Los procesos anteriores típicos han incluido el uso de estanques poco profundos en la segunda y tercera etapas, y los documentos describen un aumento del pH debido a la asimilación fotosintética de CO2. Los artículos de referencia sobre la digestión anaeróbica de algas concluyeron sobre dos aspectos negativos principales de las algas, en comparación con la digestión de LAR: (1) las paredes de las células de las algas son más resistentes a la degradación bacteriana y (2) las algas tienen un mayor contenido de proteína (N), por lo tanto, cuando son digeridas, liberando más amoníaco y causando toxicidad por amoníaco. Estas características son, nuevamente, para algas fotosintéticas comunes, no para las algas fagotróficas utilizadas en el proceso actual. Las algas fagotróficas no tienen paredes celulares y, por lo tanto, se espera que se biodegraden más fácilmente. Adicionalmente, los estudios de los inventores demostraron que las algas fagotróficas utilizadas en su proceso tienen solo 2-3 % de contenido de N, mucho más bajo que el contenido de N del 10-14% en las bacterias. Por lo tanto, la toxicidad del amoníaco debería ser menos preocupante con las algas fagotróficas que con el LAR y las algas fotosintéticas.

Aún más importante es, en el proceso actual, la mejora de la digestión por el comportamiento fagotrófico activo de las algas que ingieren y destruyen pequeños microorganismos. Las actividades fagotróficas convierten las bacterias de LAR en biomasa rica en lípidos, algas fagotróficas sin pared celular, que es más fácilmente digerible anaeróbicamente posteriormente (después de que las algas fagotróficas hayan consumido la mayoría de los pequeños microorganismos ingeribles).

Una ventaja importante del proceso de la invención es la naturaleza fácilmente digerible de la composición de la biomasa de las algas fagotróficas, para reactivar o aumentar las tasas de digestión anaeróbica. En este sentido, la forma en que las algas fagotróficas se preparan y cultivan originalmente no se limita a LAR (con o sin lodo primario u otro material de residuo orgánico) como medio de crecimiento. Las algas se pueden cultivar a partir del proceso de captura de carbono de las aguas residuales o mediante el uso de cualquier otro residuo orgánico u otras fuentes de alimentos biológicos para las algas.

Las realizaciones preferidas descritas anteriormente están destinadas a ilustrar los principios de la invención, pero sin limitar su alcance. Otras realizaciones y variaciones de estas realizaciones preferidas serán evidentes para los expertos en la técnica y pueden realizarse sin apartarse del alcance de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un método para efectuar una digestión eficiente de lodos activados residuales (LAR) (10) en una planta de tratamiento de aguas residuales, que comprende:

introducir algas fagotróficas en LAR (10), para producir una mezcla de algas-LAR,

someter la mezcla de LAR-algas en condiciones digestivas en un proceso de digestión,

mantener la mezcla de LAR-algas en el proceso de digestión durante un período de tiempo suficiente de modo que los sólidos volátiles (SV), las tasas específicas de absorción de oxígeno (TEAO) y los objetivos de patógenos preseleccionados se han logrado en la mezcla digerida y los microbios y las algas han muerto sustancialmente, y eliminar la biomasa digerida resultante del proceso de digestión.

2. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión aeróbica (22), en un proceso continuo donde las algas se introducen en el LAR (10) en una primera etapa o zona de digestión en la que el tiempo de retención es suficiente para permitir que las algas se establezcan en una población estable al consumir microbios, mientras se mueve una parte de la mezcla de LAR-algas fuera de la primera etapa o zona y en una o más etapas o zonas de digestión adicionales donde el tiempo de retención es suficiente para cumplir dichos objetivos, e incluye llevar LAR (10) adicional a la primera etapa de forma continua eliminando la biomasa digestiva que ha cumplido dichos objetivos.

3. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión aeróbica (22), en un proceso de digestión continua escalonada donde las algas se introducen en el LAR (10) en una primera etapa o zona de digestión en la que el tiempo de retención es suficiente para permitir que las algas se establezcan en una población estable al consumir microbios y a intervalos, mover una parte de la mezcla de LAR-algas fuera de la primera etapa y a una o más etapas de digestión adicionales donde el tiempo de retención sea suficiente para alcanzar dichos objetivos, e incluir traer LAR adicional (10) a la primera etapa en cada intervalo como dicha porción de la mezcla LAR-algas se saca de la primera etapa.

4. El método de la reivindicación 1, donde el proceso de digestión de la mezcla de LAR-algas se realiza en un proceso discontinuo.

5. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión anaeróbica (30).

6. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión aeróbica (22).

7. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión anaeróbica (30) y se retiene en el tanque digestor hasta que sustancialmente todos los microbios y algas han muerto.

8. El método de la reivindicación 1, donde el LAR incluye lodo primario (11) de la planta de tratamiento.

9. El método de la reivindicación 1, donde la mezcla de LAR-algas se somete a digestión anaeróbica (30) y donde el LAR (10) incluye lodo primario (11) de la planta de tratamiento.

10. El método de la reivindicación 1, donde el LAR (10) se somete a un pretratamiento que implica elevar el pH por encima de 7,5 y airear el LAR (10) para disociar los flóculos de lodo con el fin de aumentar la accesibilidad de las algas en los microorganismos consumidores.